实验报告

课程名称：  过程工程原理实验（乙） 指导老师：              成绩：__________________

实验名称：  流体力学综合实验——流体流动阻力的测定  同组学生姓名：            

实验类型：   流体力学实验  

一、实验目的和要求（必填）                         二、实验内容和原理（必填）

三、实验材料与试剂（必填）              四、实验器材与仪器（必填）                 

五、操作方法和实验步骤（必填）          六、实验数据记录和处理          

七、实验结果与分析（必填）              八、讨论、心得

一．实验目的

1.掌握测定流体流经直管、管件（阀门）时阻力损失的一般实验方法；

2.测定直管摩擦系数λ与雷诺准数Re的关系，验证在一般湍流区内λ与Re的关系曲线；

3.测定流体流经管件（阀门）时的局部阻力系数ζ；

4.识辨组成管路的各种管件、阀门，并了解其作用。

二．实验原理 

流体通过由直管、管件（如扩大管、三通和弯头等）和阀门等组成的管路系统时，由于粘性剪应力和涡流应力的存在，要损失一定的机械能。流体流经直管时所造成的机械能损失成为直管阻力损失。流体通过管件、阀门时由于流体运动方向和速度大小的改变所引起的机械能损失成为局部阻力损失。

1.直管阻力摩擦系数λ的测定

流体在水平等径直管中稳定流动时，阻力损失为：

·········（1）

 ··············（2）

公式中： 

   λ——直管阻力摩擦系数，无因次；

   d——直管内径，m；

       ——流体流经l米直管的压力降，Pa；

   ——单位质量流体流经l米直管的机械能损失，J/kg；

    ρ——流体密度，kg/m3；

    l——直管长度，m；

    u——流体在管内流动的平均速度，m/s；

滞流（层流）时：

··············（3）

                              ·············（4）

式中：

Re——雷诺准数，无因次；

μ——流体粘度，kg/(m·s)。

湍流时λ是Re和相对粗糙度（ε/ d）的函数，须由实验测定。

由（2）可是，要测定λ，需要确定l、d，测定、u、ρ、μ等参数。l、d为装置参数（装置参数表格中给出），ρ、μ通过测定流体温度，再查有关手册而得，u通过测定流体流量，再由管径计算得到。

本装置流量采用涡轮流量计或转子流量计测量，则

 ············（5）

式中：V——流量计测得的流量，m3/h。  

    可用U型管、倒置U型管、测压直管等液柱压差计测定，或采用压差变送器和二次仪表显示。

根据实验装置结构参数l、d，指示液密度ρ0，流体温度t0（查流体物性ρ、μ），以及实验时测定的流量V、，求取Re和λ，再将Re和λ标绘在双对数坐标图上。

2 局部阻力系数ξ的测定

流体通过某一管件或者阀门时的机械能损失表示为流体在小管径内流动时平均动能的某一倍数，局部阻力的这种算法，叫做阻力系数法。即：

 ·········（6）

故：                      ··········（7）

式中：——单位质量流体流经某一管件或阀门时的机械能损失，J/kg；

      ξ——局部阻力系数，无因次；

      ——局部阻力压强降，Pa；（本装置中，所测得的压强降应扣除阀门二端两侧压口间直管段的压降，直管段的压降由相应管路的直管阻力实验结果求取）；

       ρ——流体密度，kg/m3；

       g——重力加速度，9.81m/s2；

       u——流体在小截面管中的平均流速，m/s。

根据连接管件或阀门两端管径中小管的直径d，流体温度t0（查流体物性ρ、μ），以及实验时测定的流量V、，通过式（6）或（7），求取管件（阀门）的局部阻力系数ξ。

三．实验仪器

    1.实验装置

    实验对象部分由贮水箱、离心泵，不同管径、材质的水管，各种阀门、管件，涡轮流量计和倒U型压差计等所组成。管路部分有三段并联长直管，自上而下分别为用于测定直管层流阻力、粗糙管直管阻力系数、光滑管直管阻力系数。同时在粗糙管直管和光滑管直管上分别装有闸阀和截止阀，用于测定不同种类阀门的局部阻力系数。

水的流量使用转子流量计或涡流流量计测量，管路直管阻力和阀门的局部阻力采用相应的倒U型压差计或压差传感器测量。

    2.实验流程：实验装置流程图如图1中箭头所示。

    3.装置参数

    装置参数如下表所示。

图1  流体力学综合实验装置装置流程示意图

四．实验步骤

1.开启仪表柜上的总电源、仪表电源开关；

2.首先对水泵进行灌水，然后关闭泵出口阀，启动水阀，待电机转动平稳后，把泵的出口阀缓缓开到最大；

3.全开流量调节阀，以排除测试管路内的空气。当采用U型压差计（或倒U型压差计）测量压差时，应先对U型压差计（或倒U型压差计）进行排气和调零，使压差计两端在带压且零流量时的液位高度相等。本装置选用差压变送器测量压差，当使用差压变送器测量压差时，也应先对差压变送器两侧的引压管进行排气操作；

4.实验从最大流量开始做起，最小流量控制在1.5m3/h以上，每次流量为上次的0.85倍，流量改变后，要待流动达到稳定后再读数，实验时同时读取不同流量下的压差、流量和温度等有关参数；

5.装置确定时，根据ΔP和u的实验测定值，可以计算λ和ξ，在等温条件下，雷诺数Re=duρ/μ=Au，其中A为常数，因此只要调节管路流量，即可得到一系列λ~Re的实验点，从而绘出λ~Re曲线；

6.实验结束，关闭泵出口阀，关闭水泵电机，关闭仪表电源和总电源开关，将实验装置恢复原样。

五．实验数据记录及处理

实验原始数据如实验原始数据记录表。

1.直管阻力摩擦系数λ的测定

水温t=21℃，此时水的密度 ，其粘度

在双对数坐标轴上绘出两条λ~Re曲线如下：

光滑管的λ~Re曲线(舍弃误差较大的第7、8组数据)

由流体力学相关知识可知：当21005时，光滑管的摩擦系数λ满足柏拉修斯经验公式：，而测量结果为：，有一点差距。查《化工原理》教材莫狄（Moody）图，可得该粗糙管的相对粗糙度ε/d约为0.0004，则其绝对粗糙度约为ε=0.0084mm。

粗糙管的λ~Re曲线(舍弃误差较大的第8、9组数据)

由流体力学相关知识可知：实验结果也各经验公式存在一些误差。查《化工原理》教材莫狄（Moody）图，可得该粗糙管的相对粗糙度ε/d约为0.01，则其绝对粗糙度约为ε=0.22mm。

2.局部阻力系数ξ的测定

水温t=21℃，此时水的密度，其粘度

（注：在计算截止阀局部阻力系数时舍弃误差较大的第8组数据）

即实验测得该截止阀全开时的局部阻力系数为ξ=10.298，该闸阀全开时的局部阻力系数为ξ=0.252。

六．实验结论及误差分析

实验结论：本次实验可以有效地测定该管路的λ~Re曲线、估算管路相对粗糙度并计算阀门的局部阻力系数。实验测得光滑管的相对粗糙度为ε/d=0.0004，则其绝对粗糙度约为ε=0.0084mm；粗糙管的相对粗糙度为ε/d=0.01，则其绝对粗糙度约为ε=0.22mm.测得截止阀全开时的局部阻力系数为ξ=10.298，闸阀全开时的局部阻力系数为ξ=0.252。

结论分析：在作光滑管和粗糙管的λ~Re曲线时均将流量最小的两组数据舍弃，用此时的数据计算出来的结果偏差较大；在计算阀门的局部阻力损失时截止阀的计算中也将最小流量下的数据舍弃。这可以说明实验装置在小流量的测量状态下误差较大。在实验过程中也有所体现，当流量减小到很小时，多次调节仪表的读数稳定值差距也较大。

实验结果与理论值之间存在一定的误差。管路的λ~Re曲线与理论的经验公式没有很准确的对应，阀门局部阻力系数也有一定的误差，例如：查表的闸阀全开局部阻力系数理论值为ξ=0.17，与实验值0.252也一定差距。

实验中可能产生误差的原因有：

1、实验装置中管路上的测压点的设置存在一些问题，管道上打的孔数目多，对于实验数据的测量造成一定的影响；

2、实验管路并不能做到完全水平，会有一定倾角，而理论计算是以水平来考量，从而产生误差；

3、由于水在管路中流动时摩擦生热，导致水体温度不断变化，而计算时仅用特定温度下水的密度与粘度的数据，从而产生误差；

    4、实验所用管路内因长期有水及空气流过，应会有较大锈蚀，导致管径及粗糙度发生变化，从而产生误差；

5、所用的水因反复循环使用，并未更换，导致水中带有很多杂质，其密度与粘度与所查的纯水的数据存在差距，产生误差；

6、仪器系统误差、读数误差、偶然误差等其他误差。

七．思考题

1.在对装置做排气工作时，是否一定要关闭流程尾部的出口阀？为什么？

答：对装置做排气工作时，先要打开出口阀，使流体流动稳定后，再关闭流程尾部的出口阀，这样可使管中有较大压力使得气体排出。排气时出口阀一定要关闭，以防止排气不充分。

2.如何检测管路中的空气已经被排除干净？

答：调节阀门，使流体流速为0，如果=0，则说明空气已经排尽。然而事实上，由于实验装置本身的误差，即使空气已经排除干净，压差也不一定为0。而且由于实验室不断有人进行实验，所以本实验过程中并不要求做排气这一过程。

3.以水作介质所测得的λ-Re关系能否用于其它流体？

答：可以。因为，即λ-Re关系于管内介质种类无关，只与管子的相对粗糙度有关。所以只要相对粗糙度相同，不论流体种类如何，λ-Re 关系就都相同。

4.在不同设备上（包括不同管径），不同水温下测定的λ~Re数据能否关联在同一条曲线上？

答：，即λ~Re数据能否关联取决于相对粗糙度是否相同。在不同设备上（包括不同管径），不同水温下测定的λ~Re数据，若其对应的相对粗糙度相同，则可以关联在同一条曲线上，与水温无关。

第二篇：流体力学综合实验

 实验报告

课程名称：       过程工程原理实验         指导老师：       成绩：_________________

实验名称：       流体力学综合实验         实验类型：_____同组学生姓名：

一、实验目的和要求（必填）                                       二、实验内容和原理（必填）

三、主要仪器设备（必填）                                          四、操作方法和实验步骤

五、实验数据记录和处理                                              六、实验结果与分析（必填）

七、讨论、心得

Ⅰ、流体流动阻力测定

一、实验目的

⑴掌握测定流体流经直管、管件（阀门）时阻力损失的一般实验方法。

⑵测定直管摩擦系数λ与雷诺准数Re的关系，验证在一般湍流区内λ与Re的关系曲线。

⑶测定流体流经管件（阀门）时的局部阻力系数ξ。

⑷识辨组成管路的各种管件、阀门，并了解其作用。

二、基本原理

⑴直管阻力摩擦系数λ的测定

流体在水平等径直管中稳定流动时，阻力损失为：

                          ⑴

即                                                            ⑵

                                    ⑶

采用涡轮流量计测流量V

                                   ⑷

用压差传感器测量流体流经直管的压力降。

根据实验装置结构参数l、d，流体温度T（查流体物性ρ、μ），及实验时测定的流量V、压力降        ΔPf，求取Re和λ，再将Re和λ标绘在双对数坐标图上。

⑵局部阻力系数ζ的测定

流体通过某一管件或阀门时的机械能损失表示为流体在小管径内流动时平均动能的某一倍数，这种方法称为阻力倍数法。即：

                                 ⑸

故                                                                  ⑹

根据连接管件或阀门两端管径中小管的直径d，流体温度T（查流体物性ρ、μ），及实验时测定的流量V、压力降ΔPf ’，通过式⑸或⑹，求取管件（阀门）的局部阻力系数ζ。

三、实验装置与流程

实验装置如下图所示：

1、水箱  2、离心泵  3、压差传感器  4、温度计  5、涡轮流量计  6、流量计  7、转子流量计  8、转子流量计  9、压差传感器  10、压差传感器  11、压差传感器  12、粗糙管实验段  13、光滑管实验段  14、层流管实验段  15、压差传感器  16、压差传感器  17、局部阻力  18、局部阻力

图1  实验装置流程图

装置参数：

四、实验步骤

⑴首先对水泵进行灌水，然后关闭出口阀，打开电源，启动水泵电机，待电机转动平稳后，把泵的出口阀缓缓开到最大。

⑵对压差传感器进行排气，完成后关闭排气阀门，使压差传感器处于测量状态。

⑶缓慢转到调节阀，调节流量，让流量从最大到1范围内变化，并且让流量按等比变化。每次改变流量，待流动达到稳定后，分别记下流量值、直管压差和阀门压差。

⑷实验结束，关闭出口阀，停止水泵电机，清理装置。

五、数据记录及处理

当水温T=28.1℃时，密度，粘度。

根据式⑵、⑶、⑷、⑹，以及公式

阀门压差                  

可计算得到如下结果：

⑴光滑管

平均局部阻力系数                

⑵粗糙管

平均局部阻力系数                

作λ～Re曲线：

对照化工原理教材上有关曲线图，可估算出粗糙管的相对粗糙度为0.003，则绝对粗糙度为。

同理，光滑管的相对粗糙度为0.0002，则其绝对粗糙度为。

从实验结果可以看到，粗糙管的相对粗糙度要大于光滑管的相对粗糙度；同时根据闸阀和球阀全开时的局部阻力系数ζ，可以看到球阀的局部阻力系数远远大于闸阀的局部阻力系数，这是由于它们的结构造成的。

六、思考题

⑴在对装置做排气工作时，是否一定要关闭流程尾部的出口阀？为什么？

答：对装置做排气工作时，先要打开出口阀，使流体流动稳定后，再关闭流程尾部的出口阀，这样可使管中有较大压力使得气体排出。

⑵如何检测管路中的空气已经被排除干净？

答：先检查连接软管以及传感器的出口管中有没有气泡。如果没有了，关闭流量调节阀，看压差计的读数是否为零，如果为零，则说明气体已经排空。

⑶以水作介质所测得的λ~Re关系能否适用于其他流体？如何应用？

答：能适用于其他流体。通过密度和黏度换算。

⑷在不同设备上（包括不同管径），不同水温下测定的λ~Re数据能否关联在同一条曲线上？

答：不同设备上，不同的水温下测定的λ~Re数据能关联在同一曲线上。

Ⅱ、离心泵特性曲线测定

一、实验目的

⑴了解离心泵结构与特性，熟悉离心泵的使用；

⑵测定离心泵在恒定转速下的操作特性，做出特性曲线；

⑶了解差压变送器、涡轮流量计等仪器仪表的工作原理和使用方法。

二、基本原理

离心泵的特性曲线是选择和使用离心泵的重要依据之一，其特性曲线是在恒定转速下泵的扬程H、轴功率N及效率η与泵流量Q之前的关系曲线，它是流体在泵内流动规律的宏观表现形式。由于泵内流动复杂，不能使用理论方法推导出泵的特性关系曲线，只能依靠实验测定。

⑴扬程H的测定与计算

取离心泵进口真空表和出口压力表处为1、2两截面，列机械能衡算方程：

                        ⑴

若泵进出口速度相差不大，则速度平方差可忽略，则有

                           ⑵

式中：，表示泵出口和进口间的位差，m；

ρ——流体密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

         p1、p2——分别为泵进、出口的真空度和表压，m；

         H1、H2——分别为泵进、出口的真空度和表压对应的压头，m；

         u1、u2——分别为泵进、出口的流速，m/s；

   z1、z2——分别为真空表、压力表的安装高度，m。

       由上式可知，只要直接读出真空表和压力表上的数值，及两表的安装高度差，就可计算出泵的扬程。

⑵轴功率N的测量与计算

                               ⑶

其中，为电功率表显示值，k代表电动机转动效率，可取k=0.95。

⑶效率η的计算

泵的效率η是泵的有效功率Ne与轴功率N的比值。有效功率Ne是单位时间内流体经过泵时所获得的实际功，轴功率N是单位时间内泵轴从电机得到的功，两者差异反映了水力损失、容积损失和机械损失的大小。

泵的有效功率Ne可用下式计算：

                                 ⑷

故泵效率为                                                ⑸

⑷转速改变时的换算

泵的特性曲线是在定转速下的实验测定所得。但是，实际上感应电动机在转矩改变时，其转速会有变化，这话随着流量Q的变化，多个试验点的转速n将有所差异，因此在绘制特性曲线之前，须将实测数据换算为某一定转速n’下（可取离心泵的额定转速）的数据。换算关系如下：

流量                                                       ⑹

扬程                                                    ⑺

轴功率                                                   ⑻

效率                                       ⑼

三、实验装置与流程

⑴实验装置

实验对象部分是由贮水箱、离心泵，涡轮流量计和压差传感器等组成的。

水的流量使用涡轮流量计进行测量，泵进出口压差采用压差传感器进行测量，泵的轴功率由功率表测量，流体温度采用Pt100温度传感器测量。

⑵实验流程

离心泵特性曲线测定装置流程图如上图1所示。

四、实验步骤及注意事项

㈠实验步骤

⑴清洗水箱，并加装实验用水。给离心泵灌水，排除泵内气体。

⑵检查电源和信号线是否与控制柜连接正确，检查各阀门开度和仪器自检情况，试开状态下检查电机和离心泵是否正确运转。

⑶实验时，逐渐关闭调节阀以减小流量，待各仪器读数显示稳定后，读取相应数据。（离心泵特性实验部分，主要获取实验参数为：流量Q、泵进出口压差ΔP、电机功率N电、泵转速n和流体温度t。）

⑷测取10组左右数据后，可以停泵，同时记录下设备的相关数据（如离心泵型号，额定流量、扬程和功率等）。

⑸实验结束，关闭出口阀，停止水泵电机，清理装置。

㈡注意事项

⑴一般每次实验前，均需对泵进行灌泵操作，以防止离心泵气缚。同时注意定期对泵进行保养，防止叶轮被固体颗粒损坏。

⑵泵运转过程中，勿触碰泵主轴部分，因其高速转动，可能会缠绕并伤害身体接触部位。

五、实验数据及处理

⑴分别绘制一定转速下的H~Q、N~Q、η~Q曲线

实验原始数据记录：

离心泵型号    MS10011.1    ，额定流量    100L/min    ，额定扬程   23.4m  

额定功率   1.1kw  ，额定转速  2850rpm  ，泵进出口测压点高度差H0   0.1m   

水温t：   25.9℃ 

水温t=25.9℃时，水的密度ρ=997kg/m3

根据式⑵、⑶、⑸、⑹、⑺、⑻、⑼，计算结果如下表所示。

作H~Q、N~Q、η~Q曲线：（见下页）

⑵分析实验结果，判断泵最为适宜的工作范围。

效率曲线有一最高点，称为设计点。由于管路输送条件不同，离心泵不可能正好在最佳工况点运行。一般选用离心泵时，其工作区应处于最高效率点的92%左右。

由上图得，当Q=6.7m3 /h时，泵效率最大，η值为0.375。因此，正常工作时泵的效率η为0.345～0.375，工作范围为4.4～9.5m3 /h。

六、思考题

⑴试从所测实验数据分析，离心泵在启动时为什么要关闭出口阀门？

答：从图中可以看出，轴功率随流量的增大而增大，当流量为零时，功率最小，若开机时阀门开大，则电机的瞬时功率很大，会对电机造成损害。因此，离心泵应在出口阀关闭时启动，以防止电机过载。

⑵启动离心泵之前为什么要引水灌泵？如果灌泵后依然启动不起来，你认为可能的原因是什么？

答：若泵内无液体，则当离心泵运转时，其内部的气体经离心力的作用所形成的吸入室内的真空度很小，没有足够的压差使液体进入泵内，使离心泵吸不上液体。

如果依然启动不了，可能是引水好后未将引水阀门关闭，泵启动之后，吸入口处产生负压，将引水漏斗处的水吸完后即吸入空气，产生气缚，从而不能将水打出。

⑶为什么用泵的出口阀门调节流量？这种方法有什么优缺点？是否还有其他方法调节流量？

答：如果在泵的进口侧调节流量，当阀门关小时，会出现液体不能充满管路的现象，这会对实验结果造成影响，因此要用泵的出口阀门调节流量。这种方法的优点是简单易行，缺点是节流阀消耗能量。另外可以使用变频器调节电机转速来调节流量。

⑷泵启动后，出口阀如果不开，压力表读数是否会逐渐上升？为什么？

答：不会上升。因为水是不可压缩的流体，当出口阀关闭时，管路内水的量保持恒定，且动能为零，泵启动后，泵产生的动能转化为水的静压能，泵稳定转动时，水的静压能保持不变，因此压力表读数不会上升。

⑸正常工作的离心泵，在其进口管路上安装阀门是否合理？为什么？

答：合理。虽然阀门会增大阻力，增加能耗，但阀门能方便检修，因此安装阀门是合理的。

⑹试分析，用清水泵输送密度为1200kg/m3的盐水，在相同流量下你认为泵的压力是否变化？轴功率是否变化？

答：由       

得：理论压头与流体密度无关，因此在相同流量下输送盐水泵的压力不变。

而由

得：轴功率与流体密度有关，输送盐水时轴功率增大，且轴功率之比等于密度之比。